СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ, В ЧАСТНОСТИ, В ТОПОЧНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ПАРОГЕНЕРАТОРА, ОТАПЛИВАЕМОГО ИСКОПАЕМЫМ ТОПЛИВОМ, И СИСТЕМА СЖИГАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК F23N5/00 

Изобретение относится к способу регулирования процесса горения, в частности, в топочном пространстве парогенератора, отапливаемого ископаемым топливом, при котором в топочном пространстве определяются пространственно разрешимые измеренные значения. Изобретение также относится к соответствующей системе сжигания.

Подобный способ раскрыт в документе US 2007/0122757 F23Q 9/08, 31.05.2007, который может рассматриваться в качестве аналога заявленного изобретения.

В случае процесса горения парогенератора топливо сначала подготавливается (например, размалывание угля в угольной мельнице, подогрев жидкого котельного топлива (мазута) и т.д.) и затем контролируемым образом с помощью воздуха для горения подается в топочное пространство в соответствии с текущей потребностью в тепле установки. Ввод топлива в топочное пространство осуществляется при этом в различных местах парогенератора в так называемые горелки. Также подача воздуха осуществляется в различных местах. На самих горелках всегда осуществляется также подача воздуха. Дополнительно подача воздуха может происходить в местах, в которых в топочное пространство не поступает топливо.

Таким образом, существует потребность проводить процесс горения таким образом, чтобы он протекал по возможности эффективно, с малым износом и/или по возможности с незначительными эмиссиями (выпуском в атмосферу веществ, загрязняющих окружающую среду).

Типичные существенные параметры влияния для процесса горения парогенератора следующие:

- распределение горючих веществ по отдельным горелкам,

- распределение воздуха для горения по различным зонам горения,

- общий массовый поток воздуха для горения,

- качество подготовки горючего вещества (например, усилие помола, число оборотов сепаратора, температура сепаратора в угольной мельнице),

- отвод дымовых газов,

- положение поворотных горелок.

Эти параметры влияния, как правило, устанавливаются в момент времени пуска в эксплуатацию парогенератора. При этом в зависимости от эксплуатационных краевых условий различные цели оптимизации выдвигаются на передний план, такие как максимальный кпд установки, минимальные эмиссии (NOx, СО,…), минимальное содержание углерода в золе (полнота сгорания). Из-за временной варьируемости параметров процесса, в частности непостоянных свойств топлива (теплота сгорания, расход воздуха, режим воспламенения и т.д.), требуется, однако, постоянный контроль и настройка процесса горения. Поэтому в технических установках горение контролируется устройствами измерительной техники, и располагаемые параметры влияния модифицируются за счет регулирующих воздействий согласно текущей определенной ситуации горения.

Вариация параметров влияния в течение работы установки выполняется лишь в очень ограниченной мере. Причина этого состоит в том, что за счет высоких температур, а также среды, подверженной химическому и механическому износу, лишь мало результатов измерений доступно или они вообще недоступны в достаточном качестве из среды, близкой к горению. Поэтому только данные измерений, которые получены в канале дымового газа, удаленно от горения, привлекаются для регулирования горения. Данные процесса, таким образом, предоставляются в распоряжение лишь с задержкой и без специфического отношения к отдельным исполнительным органам для оптимизации средствами техники регулирования. Из-за больших размеров технических крупномасштабных топочных камер располагаемые точечные измерения часто являются нерепрезентативными и не дают дифференцированной картины реальной пространственной ситуации процесса.

Так как во многих случаях невозможно никакое регулирование или оптимизация процесса горения, параметры процесса (например, избыток воздуха) устанавливаются на достаточном удалении от технических границ процесса. Это обуславливает потери из-за работы с пониженной эффективностью процесса, высоким износом и/или высокими эмиссиями.

При необходимости имеющееся регулирование и оптимизация процесса горения согласно современному уровню техники выполняются с помощью различных подходов.

- Регулирование полного массового потока (расхода) воздуха на основе измерения содержания кислорода в потоке дымового газа.

- Регулирование соотношений между воздухом для горения и воздухом, подаваемым сверху (верхнее дутье) на основе NOx- или СО-измерения в потоке дымового газа.

- При угольных котлах соответствующий массовый поток (расход) топлива измеряется как число оборотов подающего (ленточного) транспортера-дозатора, с помощью которого угль транспортируется в угольную мельницу. Точное разделение потока угля на питаемые этой мельницей горелки при этом часто не определяется. Поэтому принимается, что каждая горелка переносит постоянную часть массового потока топлива и соответственно устанавливает воздух для горения. Однако существуют различные измерительные системы, с помощью которых могут определяться потоки угля отдельных горелок. Более точное регулирование воздуха, при котором массовый поток воздуха на каждую горелку согласуется с соответствующим массовым потоком угля, таким образом, становится возможным.

- В котлах, которые оснащены ветровой камерой, сначала также не известен массовый поток воздуха на каждую подачу воздуха. Для того чтобы все-таки иметь возможность регулирования воздуха на подачу воздуха, разности давления через отдельные воздушные клапаны определяются средствами измерительной техники, и массовые потоки воздуха вычисляются из этих данных. Тем самым возможно более точное, согласованное с топливом регулирование массовых потоков воздуха.

- Нейронные сети применяются для того, чтобы изучать взаимосвязь между различными параметрами влияния и измеренными данными процесса. На основе возникающей таким образом нейронной модели парогенератора затем проводится оптимизация процесса горения.

В патентной заявке ЕР 1850069 В1 определен способ и контур регулирования для регулирования процесса горения, при котором наглядное определение процесса горения на горелках применяется для того, чтобы обучать нейронные сети, с помощью которых затем выполняется оптимизация горения.

- Для того чтобы противопоставить большим пространственным протяженностям крупных топок, частично определяются важные параметры процесса, такие как концентрация кислорода в дымовом газе, посредством дифракционных измерений на выходе котла. В ограниченной мере можно, таким образом, сделать выводы о пространственном распределении параметров процесса в процессе горения.

Дальнейшая оптимизация горения возможна, если используется пространственно разрешающая измерительная система, с помощью которой данные измерения из непосредственной окрестности горения могут предоставляться в распоряжение.

С учетом указанных документов предшествующего уровня техники задачей настоящего изобретения является предложить улучшенный способ для регулирования процесса горения, при котором применяются пространственно разрешенные измеренные данные в топочном пространстве. Другая задача состоит в том, чтобы предложить соответствующую систему сжигания.

Эти задачи решаются с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные выполнения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Существенные признаки изобретения могут быть сформулированы следующим образом.

- Пространственные информации измерения преобразуются в параметры состояния, которые могут оцениваться посредством техники регулирования.

- Для этих параметров состояния затем определяются заданные значения, которые описывают желательный режим работы.

- Эти параметры состояния применяются затем как фактические значения для, в частности, обычных контуров регулирования и там сравниваются с заданными значениями.

- Образованные таким способом регулирующие разности подаются на регуляторы, которые затем определяют необходимые изменения управляющего параметра.

- Выходы регуляторов распределяются на имеющиеся исполнительные органы, причем производится обратное преобразование выходов регуляторов на имеющиеся исполнительные органы, так как результат выходов регуляторов должен быть согласован с установкой.

Таким образом, изобретение использует улучшенное определение текущего состояния процессов горения за счет использования по меньшей мере одного средства измерительной техники с пространственно разрешающей областью регистрации для количественного определения продуктов сгорания после сгорания во внутренности технической установки сжигания для более дифференцированного и более быстрого регулирования процесса. Существенное преимущество изобретения состоит в том, что комплексные распределения измеренных значений пространственно разрешающей измерительной техники могут обрабатываться посредством преобразования в простые параметры состояния или регулирования на основе обычных регуляторов. Кроме того, за счет обратного преобразования достигается то, что выходные сигналы обычных регуляторов согласно заданной цели оптимизации распределяются на заданные управляющие параметры. Тем самым достигается оптимальная согласованность между вновь определенной концепцией регулирования и инсталлированной комплексной измерительной техникой. В частности, за счет улучшенных таким образом структур регулирования реализуется по возможности эффективный, обуславливающий малый износ и протекающий по возможности с незначительными эмиссиями процесс горения.

В первом варианте выполнения определяются параметры состояния на основе статистических информаций пространственно разрешенных измеренных значений. Это имеет преимущество, состоящее в том, что здесь может концентрироваться огромное разнообразие информации, например, об имеющихся распределениях температур или концентраций. Могут вводиться взвешивания и применяться другие методы обработки изображений. Дополнительное преимущество состоит в том, что таким образом возникают параметры процесса, с помощью которых процесс горения может описываться и регулироваться.

Другие варианты выполнения касаются определения заданных значений. Преимущество при определении заданных значений состоит в том, что цель оптимизации может быть задана конкретным и общедоступным образом. За счет этого желательное оптимальное поведение установки может быть описано однозначным и воспроизводимым образом. Оператор установки имеет тогда в любое время возможность за счет вариации заданных значений заново определить оптимальную рабочую точку, например, более высокий вес присвоить минимальным эмиссиям ценой несколько худшего кпд.

Распределение регулирующих выходов на исполнительные органы оптимизируется в одном варианте выполнения с помощью нейронной сети. Регулирующие воздействия могут, кроме того, точно юстироваться с помощью нейронной сети. Тем самым достигается особенно интеллектуальное и точное регулирование, которое является устойчивым против вариации других влияний, например изменяющегося качества топлива.

Изобретение далее описывается более подробно на примере выполнения, представленном на чертеже, где показана схема для разъяснения соответствующего изобретению регулирования горения.

Топочное пространство FR электростанции или другой технической установки, в которой осуществляется процесс горения, оснащено пространственно разрешающей измерительной системой (на чертеже обозначена как MS). При этом речь может идти о любой измерительной системе, с помощью которой измеренные данные могут предоставляться из непосредственной близости к зоне горения. Примерами таких измерительных систем являются следующие.

- Камера топочного пространства, с помощью которой может определяться процесс горения в топочном пространстве. При этом с помощью спектрального анализа света, излучаемого от пламени, получают дополнительные информации о горении.

- Конфигурация из лазеров и соответствующих детекторов. При этом лазерные лучи направляются чрез топочное пространство на фотодетекторы. Спектральный анализ лазерных лучей, исходящих из топочного пространства, на основе поглощения определенных длин волн дает информацию о собственно горении. Если лазерные лучи в форме решетки посылаются по нескольким путям через топочное пространство, то информация измерений может разрешаться по пространству.

Решающим при выборе измерительной техники является то, что она пригодна для определения существенных свойств горения с пространственным разрешением. При этом измерения выполняются, например, на поперечном сечении топочного пространства вблизи процесса горения. Определенные измеренные значения характеризуют горение на основе свойств таких, как, например, локальные концентрации (СО, О₂, СО₂, H₂O,…) и температура.

Во всех случаях получают множество самых различных измеренных значений в зависимости от пространственных координат. На входе соответствующей изобретению системы регулирования приложены, таким образом, не отдельные измеренные значения, а полные распределения измеренных значений, подобные двумерному или трехмерному образцу.

В рамках преобразования переменных VT эти данные, обозначенные на чертеже с помощью М измеренных значений MW, на первом этапе преобразуются в параметры состояния, которые могут быть оценены средствами техники регулирования. Пространственная информация о топочном пространстве при этом отображается на отдельные параметры и тем самым сжимается.

Для вывода различных параметров состояния из пространственной информации измерений оцениваются следующие пункты:

a) взвешенные средние значения с подчеркиванием или подавлением частей пространства, регистрируемого средствами техники измерений,

b) среднее значение измеренных параметров по пространству, регистрируемому средствами техники измерений,

c) пространственное положение центров тяжести измеренных значений,

d) статистические параметры для пространственного образца распределения.

Для оцениваемых средствами техники измерений параметров состояния может определяться цель оптимизации в качестве заданного значения. Кроме того, эти параметры состояния характеризуют во взаимосвязи с обычными предоставляемыми средствами управления информациями измерений и процесса, текущее рабочее состояние процесса горения.

Посредством описанного преобразования переменных VT в соответствии с этим любое количество М измеренных значений MW преобразуется вновь в любое количество N параметров регулирования RG, причем М и N представляют натуральные числа, и N обычно меньше, чем М. В случае параметров регулирования RG речь идет о параметрах состояния, которые затем применяются как фактические значения для отдельных регуляторов.

N параметров регулирования подаются на N регуляторов R. Это представлено на чертеже на основе компонента регулирования, который содержит вычитатель и дополнительные компоненты техники регулирования, такие как, например, PI (пропорционально-интегральный)-регулятор. При этом речь идет об обычном компоненте регулирования, который, при необходимости, уже имеется в подлежащей регулированию технической установке. Также речь может идти о компоненте с множеством параметров регулирования, в зависимости от вариантов выполнения. Рассматриваемый здесь компонент регулирования имеет, кроме того, вход ESW для заданного значения выведенного параметра регулирования. Последний задается либо вручную, является постоянным или задается в зависимости от нагрузки и должен характеризовать желательный режим работы. Кроме того, существует, наряду с входом ERG для параметра регулирования RG, другой вход EPG для других любых измеренных параметров процесса PG, которые регистрируются вне пространственно разрешающей системы измерений. Внутри регулятора образуется регулирующая разность между заданным и фактическим значением, регулирующая разность варьируется посредством измеренных параметров процесса, например, для согласования усиления регулятора в зависимости от текущей ситуации нагрузки и подается на имеющийся регулятор (здесь PI-регулятор), который определяет необходимые изменения параметров регулирования. Этот сигнал приложен на выходе ARA регулятора.

Если теперь имеется N регуляторов, то существует на этом месте N значений для выходов регулирования RA (см. чертеж). Теперь действительным является то, что при обратном преобразовании RT эти обозначенные как регулирующие выходы сигналы RA в количестве N преобразуются таким образом, что определенное количество K исполнительных органов получает, соответственно, управляющий сигнал, который необходим для достижения цели регулирования. Иными словами, из всех регулирующих выходов RA N регуляторов R теперь выводятся регулирующие воздействия для различных исполнительных органов, с помощью которых на процесс горения можно влиять благоприятным образом. При этом регулирующее воздействие может осуществляться на несколько исполнительных органов с различной силой.

Исполнительными органами являются, например, отверстия размещенных в топочном пространстве воздушных клапанов.

В вычислительном блоке RT осуществляется разделение N регулирующих выходов на K исполнительных органов (N, K - натуральные числа). При этом также учитываются измеренные параметры процесса PG, которые определяются вне пространственно разрешающей измерительной системы. При обратном преобразовании регулирующих выходов на имеющиеся регулирующие параметры особое преимущество заключается в том, что разделение регулирующих выходов на исполнительные органы выполняется оптимальным образом, так что, например, может осуществляться минимизация значений эмиссии, и одновременно достигается по возможности высокий кпд установки. Это в данном примере выполнения достигается тем, что на вычислительный блок RT также подаются значения оптимизации OW из оптимизатора ОРТ. Оптимизатор получает информацию из различных зон.

Наряду с параметрами измерений процесса, которые регистрируются вне пространственно разрешающей измерительной системы, оптимизатор также может получать результаты измерений размещенных в топочном пространстве пространственно разрешающих измерительных устройств. В рамках преобразования переменных VT′ некоторое количество М′ пространственно разрешенных измеренных значений преобразуется в любое количество N′ параметров состояния, которые подаются на оптимизатор ОРТ. При этом речь может идти о таких же измеренных значениях, как и описанные выше, в качестве альтернативы, могут также применяться и другие измеренные значения. Опционально оптимизатор ОРТ может соединяться с нейронной сетью NN.

В этом случае реализуется гибридная регулирующая структура из обычных компонентов регулирования, а также нейронных сетей. Нейронная сеть обучается с параметрами измерений процесса и служит в качестве специфической модели для предсказания режима горения. Итеративный алгоритм оптимизации определяет, на основе реакции горения, прогнозируемой нейронной сетью, оптимальное распределение регулирующих воздействий на исполнительные органы, а также корректирующие значения для исполнительных органов. Тем самым процесс оптимизируется соответственно заданной целевой функции.

При значениях оптимизации OW речь может идти, например, о факторах балансирования. Посредством факторов балансирования результаты обратного преобразования RT с учетом процесса оптимизации соответственно желательной цели регулирования взвешиваются, сдвигаются и согласуются.

На основе выданных значений обратного преобразования и, при необходимости, с дополнительным учетом результатов процесса оптимизации в заключение осуществляется вычисление полного параметра регулирования GSB для имеющихся K исполнительных органов. Различные регулирующие воздействия на различные исполнительные органы от различных идентифицированных отклонений от заданных значений суммируются аддитивно в полное регулирующее воздействие для каждого исполнительного органа. В конце алгоритма K изменений параметров регулирования ST направляются далее на отдельные исполнительные органы, такие как воздушные клапаны или устройства подачи топлива.

В течение всего способа регулирования скорость и величина отдельных регулирующих воздействий согласуются с заданными техническими краевыми условиями и пределами технической установки. Заданные процессом пределы не превышаются.

Изобретение относится к способу регулирования процесса сгорания, в частности, в топочном пространстве парогенератора, отапливаемого ископаемым топливом, в котором в топочном пространстве определяются пространственно разрешимые измеренные значения. Пространственно разрешимые измеренные значения преобразуются в параметры состояния, оцениваемые посредством техники регулирования, которые затем в качестве фактических значений подаются в контуры регулирования. Определенные в контурах регулирования изменения параметров регулирования в информации обратного преобразования с учетом цели оптимизации распределяются на исполнительные органы. Изобретение также относится к соответствующей системе сжигания. Изобретение позволяет повысить эффективность процесса горения. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования процесса горения, в частности, в топочном пространстве (FR) парогенератора, отапливаемого ископаемым топливом, при котором в топочном пространстве (FR) определяются пространственно разрешимые измеренные значения (MW), причем
- произвольное количество М измеренных значений (MW) на основе преобразования переменных (VT), в котором пространственная информация о топочном пространстве отображается на отдельные параметры и тем самым сжимается, преобразуется в меньшее, чем М, количество N параметров регулирования (RG), причем параметры регулирования, согласно технике регулирования, соответствуют оцениваемым параметрам состояния, которые затем в качестве фактических значений подаются в N контуров (R) регулирования,
- определенные в N контурах (R) регулирования изменения (RA) параметров регулирования в обратном преобразовании (RT) с учетом цели оптимизации распределяются на K исполнительных органов, причем М, N и K являются натуральными числами,
отличающийся тем, что при преобразовании переменных (VT, VT′) для определения различных параметров состояния из пространственных измеренных значений (MW, MW′) оцениваются опорные параметры из группы следующих опорных параметров:
а) взвешенные средние значения с выделением или подавлением частей зарегистрированного измерительной техникой пространства, и/или
b) среднее значение измеренных параметров по зарегистрированному измерительной техникой пространству, и/или
c) пространственное положение центра тяжести измеренных значений, и/или
d) статистические параметры для пространственного образца распределения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для параметров состояния может определяться цель оптимизации в качестве заданного значения (SW), причем параметры состояния в связи с обычно доступными информациями измерений и процесса характеризуют текущее рабочее состояние процесса горения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что заданные значения (SW) для выведенных параметров состояния определяются для задания желательного рабочего режима.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для различных параметров регулирования выводятся регулирующие воздействия, с помощью которых на процесс горения можно целенаправленным образом оказывать влияние, причем регулирующее воздействие на несколько исполнительных органов воздействует с дифференцированной силой.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что вычисляются отклонения заданных значений для идентификации отклонений для корректирующих воздействий средствами техники регулирования на процесс.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что различные регулирующие воздействия на различные исполнительные органы из различных идентифицированных отклонений заданных значений аддитивно суммируются в одно общее регулирующее воздействие для каждого исполнительного органа.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для достижения цели оптимизации нейронная сеть обучается с измеренными параметрами процесса и применяется в качестве конкретной модели для прогнозирования режима горения.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что посредством итерационного алгоритма оптимизации на основе предсказанной нейронной сетью реакции горения определяется благоприятное распределение регулирующих воздействий на исполнительные органы, а также корректирующие значения для исполнительных органов.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение выполняется на поперечном сечении топочного пространства вблизи зоны горения.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве характеристических свойств горения определяются локальные концентрации СО, О₂, СО₂, Н₂О и температуры или подгруппы этих или сопоставимых измеренных параметров.

11. Способ по п.3, отличающийся тем, что для различных параметров регулирования выводятся регулирующие воздействия, с помощью которых на процесс горения можно целенаправленным образом оказывать влияние, причем регулирующее воздействие на несколько исполнительных органов воздействует с дифференцированной силой.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что вычисляются отклонения заданных значений для идентификации отклонений для корректирующих воздействий средствами техники регулирования на процесс.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что различные регулирующие воздействия на различные исполнительные органы из различных идентифицированных отклонений заданных значений аддитивно суммируются в одно общее регулирующее воздействие для каждого исполнительного органа.

14. Способ по п.2, отличающийся тем, что для достижения цели оптимизации нейронная сеть обучается с измеренными параметрами процесса и применяется в качестве конкретной модели для прогнозирования режима горения.

15. Способ по п.3, отличающийся тем, что для достижения цели оптимизации нейронная сеть обучается с измеренными параметрами процесса и применяется в качестве конкретной модели для прогнозирования режима горения.

16. Способ по п.11, отличающийся тем, что для достижения цели оптимизации нейронная сеть обучается с измеренными параметрами процесса и применяется в качестве конкретной модели для прогнозирования режима горения.

17. Способ по п.12, отличающийся тем, что для достижения цели оптимизации нейронная сеть обучается с измеренными параметрами процесса и применяется в качестве конкретной модели для прогнозирования режима горения.

18. Способ по п.13, отличающийся тем, что для достижения цели оптимизации нейронная сеть обучается с измеренными параметрами процесса и применяется в качестве конкретной модели для прогнозирования режима горения.

19. Способ по любому из пп.14-18, отличающийся тем, что посредством итерационного алгоритма оптимизации на основе предсказанной нейронной сетью реакции горения определяется благоприятное распределение регулирующих воздействий на исполнительные органы, а также корректирующие значения для исполнительных органов.

20. Система сжигания с топочным пространством, в частности, для парогенератора, отапливаемого ископаемым топливом, содержащая систему регулирования с блоком диагностики горения, причем блок диагностики горения оснащен пространственно разрешающей системой измерения в топочном пространстве, отличающаяся тем, что система регулирования выполнена для осуществления способа согласно любому из пп.1-19.

21. Электростанция, отапливаемая ископаемым топливом, с системой сжигания по п.20.